Como Funcionam os Sensores de Gases Tóxicos (ART2860)

Este artigo é de 2007. Se bem que muitas das tecnologias mostradas ainda sejam válidas, hoje contamos com novas soluções, principalmente baseadas em dispositivos de nanotecnologia. O artigo tem um bom valor didático.

Na indústria química, petroquímica, de medicamentos e em outros locais em que possa existir a emanação de gases tóxicos e item de segurança obrigatório haver circuitos sensores que os detectem. Conheça aqui o princípio de funcionamento desses sensores e como executar sua instalação.

Existem diversos tipos de sensores de gases, muitos dos quais especialmente indicados para a detecção de gases tóxicos. Esses sensores seletivos são de fundamental importância para garantir a segurança num ambiente em que possam ocorrer vazamentos ou escapes.

A finalidade de um sensor de gás tóxico ou de outros tipos de gases e' fornecer em sua saída um sinal elétrico proporcional à concentração do gás ou ainda um sinal único quando a concentração atinge um certo valor, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Há diversas tecnologias usadas na fabricação dos sensores, tanto do tipo eletroquímico como de outros que fazem uso da absorção infravermelha.

 

Sensores Tóxicos Eletroquímicos

Os sensores eletroquímicos de gases tóxicos podem ser comparados a pequenas células a combustível com uma estrutura básica semelhante a figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

Neste sensor temos dois eletrodos separados por um eletrólito. Um dos sensores é o de polarização e o outro o sensor propriamente dito. O conjunto é fechado por um invólucro plástico poroso para que o gás externo possa entrar e fazer contato com o eletrodo sensor. Quando o gás penetra no dispositivo, uma reação química de oxidação ou redução ocorre, e gera ao mesmo tempo uma tensão elétrica que aparece entre os terminais.

Se ligarmos um resistor externo, conforme ilustra a figura 3, circulará por esse resistor uma corrente proporcional à concentração do gás que provoca a reação.

 

Figura 3
Figura 3

 

Com isso, aparecerá sobre o resistor uma tensão, também proporcional à concentração, a qual pode ser amplificada por um circuito externo.

Esse circuito externo pode acionar um indicador de concentração, mas também pode ser um comparador, caso em que podemos ter um valor de referência de concentração e ao superar este valor um sistema de aviso externo acionado. Veja a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Destacamos na construção desse tipo a barreira de difusão gasosa, cuja finalidade é limitar o fluxo de gás que atinge o eletrodo de sensoriamento. Essa limitação é necessária para manter uma certa capacidade de reserva de reação de modo a limitar a atividade eletroquímica neste eletrodo.

Esta reserva é importante para garantir que o sensor tenha estabilidade com a temperatura e, além disso, uma longa vida útil. Para que o leitor entenda bem como funciona o dispositivo, observe as reações que ocorrem num sensor de monóxido de carbono:

Eletrodo sensor: CO + H2O CO + 2H+ + 2e

Eletrodo de referência: 1/2 O2 + 2H+ 2e + H2O

Resultado final da reação: CO + 1/2 O2 + CO2

Veja que existe a liberação de elétrons nessa reação, sendo eles os responsáveis pela corrente gerada pelo dispositivo.

Outro ponto, para que o sensor funcione, é a necessidade de haver oxigênio presente na reação. Ele pode entrar tanto com o próprio gás que está sendo detectado como também por difusão pelos lados do sensor.

Note que é preciso uma concentração muito pequena, da ordem de partes por milhão (ppm) para que a reação ocorra e a detecção seja possível.

Nas aplicações mais simples, os sensores de dois terminais ou eletrodos são os mais comuns. No entanto, esses sensores são polarizados com o tempo, o que significa uma certa limitação em seu uso. Este efeito pode ser eliminado pelo emprego de um terceiro eletrodo de referência, que esteja submetido a uma tensão estável.

Nesses sensores, o eletrodo sensor pode ser mantido num potencial fixo em relação ao eletrodo de referência do qual a corrente de medida é obtida. Na figura 5 temos um sensor de três terminais.

 

Figura 5
Figura 5

 

Um outro ponto a ser considerado no uso desses sensores e o efeito da temperatura no sinal obtido. Eles são muito sensíveis as variações da temperatura, apresentando uma curva de resposta exponencial a esse respeito. Assim, a intensidade do sinal de saída praticamente dobra a cada 10º C de aumento da temperatura.

Como o desvio do sinal é o mesmo no eletrodo sensor e nos eletrodos auxiliares, é' possível utilizar isso para elaborar um circuito de compensação nos casos em que uma precisão maior seja necessária numa determinada faixa de temperaturas.

 

Sensores Infravermelhos

Os gases possuem espectros de absorção de radiação infravermelha diferentes, de acordo com o exemplo dado na figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

Pode-se aproveitar essa propriedade para elaborar sensíveis sensores seletivos de gases, utilizando-se um emissor infravermelho e um sensor infravermelho com filtros ópticos apropriados. Na figura 7 temos um exemplo de sensor desse tipo.

 

Figura 7
Figura 7

 

Conforme podemos ver, numa câmara em que flui o gás monitorado existem vários elementos que formam o sistema sensor. O primeiro a ser destacado é uma fonte de radiação que tenha componentes infravermelhos, ou seja, totalmente infravermelha com uma certa faixa que abranja o espectro de absorção do gás que deva ser detectado. Essa fonte pode ser uma lâmpada comum, por exemplo.

Temos depois dois sensores, colocados por trás de filtros que justamente determinam a faixa de onda da radiação que deve ser monitorada. Um deles serve de referência e o outro é o sensor propriamente dito.

O sensor deve ter uma boa resposta ao comprimento de onda que deve ser monitorado, podendo ser usados detectores piroelétricos ou termopilhas. No caso dos detectores piroelétricos, o que temos é um material (eletreto) que tem uma tensão estática em suas faces dependente da radiação incidente, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

O sinal obtido na saída desse tipo de sensor vem da diferença entre o sinal do elemento que tem o filtro que absorve o comprimento monitorado e o elemento que tem o filtro de referência. Isso significa que os dois elementos sensores devem ser sintonizados para comprimentos de onda diferentes.

Como o que esse sensor detecta é a absorção da radiação na trajetória da radiação que é dada pela quantidade de moléculas do gás visado existente nesse percurso, está claro que a detecção depende da pressão do gás. Por isso, é comum dotar esses sensores de um sensor adicional barométrico que possa dar informações ao circuito processador que permitam compensar esse efeito.

Os sinais obtidos dos sensores e do barômetro passam pelo conversor analógico-digital, sendo entregues ao microcontrolador que fornece a saída para atuação e controle do dispositivo externo. Ele pode ser um indicador numérico que fornece o valor da concentração do gás, como também um sistema de alarme ou controle que aciona bombas de exaustão.

 

Sensor de Oxigênio

Esse é um sensor diferente, pois enquanto os demais detectam a presença de gases combustíveis, esse deve ser sensível a um gás comburente, ou seja, o oxigênio.

Na figura 9 temos um exemplo de sensor de oxigênio do tipo eletroquímico.

 

Figura 9
Figura 9

 

Dentro do invólucro de material poroso existem dois eletrodos. Um deles consiste numa fita plana coberta de PTPE (politetrafluoretileno, material semelhante ao teflon) com um catalisador ativo, formando o catodo. O ânodo é um bloco de chumbo.

Esse conjunto tem no topo uma pequena abertura para entrada (difusão) do ar. A célula é preenchida com uma substância eletrolítica condutora que possibilita a transferência dos íons entre os eletrodos no processo de detecção.

Os dois eletrodos possuem terminais de ligação ao circuito externo que recebe a cor rente gerada. Podemos então ligar externamente um resistor de carga, aparecendo sobre ele uma tensão que será processada por um circuito externo como um comparador de tensão, um amplificador operacional, etc.

Os íons hidroxil migram através do eletrólito para o ânodo metálico, onde eles provocam uma oxidação do chumbo formando o óxido correspondente (PbO).

Nesse processo de oxidação corrente é gerada, podendo ser retirada para acionamento do circuito externo.

Uma desvantagem desse tipo de sensor é que ele se oxida à medida que funciona, sendo sua durabilidade limitada. Um sensor desse tipo tem uma vida útil entre um e dois anos, tipicamente. No uso desse tipo de sensor também deve ser considerado que ele não possui uma resposta linear e são sensíveis a variações de temperatura.

 

Sensores de Oxigênio de Pressão Parcial

No sensor anterior, a abertura para a entrada de oxigênio pode causar um problema quando ocorrem variações bruscas de pressão. Essas variações podem gerar transientes no circuito sensor. Como o transiente tem um ponto de volta que pode chegar a zero, isso pode causar problemas no circuito sensor (figura 10), que pode ser enganado.

 

Figura 10
Figura 10

 

Uma maneira de evitar isto é agregando inércia à resposta do sensor. Uma das maneiras possíveis é ilustrada na figura 11, com acréscimo de uma membrana e de um tubo para passagem do oxigênio.

 

Figura 11
Figura 11

 

Podemos dizer que a membrana e o tubo funcionam como um circuito amortecedor LC, reduzindo a amplitude de um transiente. Uma outra maneira, exibida na figura 12, consiste em se agregar uma membrana sólida à entrada do oxigênio de modo que ela diminua a velocidade de entrada do oxigênio e com isso opere como um amortecedor de transientes de pressão.

 

Figura 12
Figura 12

 

Essa espécie de “mola” pneumática impede que sobre o elemento sensor ocorram variações rápidas de pressão, capazes de enganar o circuito eletrônico de processamento.

 

 


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